年生產(chǎn)4萬噸草酸初步設(shè)計 課程設(shè)計說明書

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1、《化工設(shè)計》課程設(shè)計說明書 項 目 名 稱：年生產(chǎn)4萬噸草酸初步設(shè)計 設(shè) 計 人 姓 名： 專 業(yè) 班 級： 指 導(dǎo) 老 師 姓 名 設(shè)計起止日期： 1．概述 1.1設(shè)計依據(jù) 1.1.1設(shè)計項目名稱：年生產(chǎn)4萬噸草酸初步設(shè)計 1.1.2生產(chǎn)能力：年生產(chǎn)能力4萬噸 1.1.3生產(chǎn)方法：甲酸鈉法（鈣法） 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)： 序號 項目名稱 單位 數(shù)量 備注 一 生產(chǎn)規(guī)模 噸 40000 二 年操作日 天 300 三 主要原輔料、燃料 1 焦炭 噸/年 2 燒堿 噸/年 3 硫酸

2、噸/年 4 燃料煤 噸/年 四 運輸量 噸/年 1 運入量 噸/年 2 運出量 噸/年 五 定員 人 六 建設(shè)期 月 七 工程有地 畝 八 報批工程中投資 萬元 1 建設(shè)投資 萬元 2 鋪底流動資金 萬元 3 建設(shè)期利息 萬元 九 資金籌措 萬元 1.1.4產(chǎn)品物理化學(xué)性質(zhì)、技術(shù)指標(biāo)及用途： 【化學(xué)名】乙二酸(Oxalic acid dehydrate) 【分子式】 【結(jié)構(gòu)式】、 【分子量】126.06

3、 【CASNO】6153-56-6 理化性質(zhì)：白色晶體。熔點：101.5℃。密度：1.653。 1.1.5草酸的主要用途 用途：草酸是重要的有機(jī)工業(yè)原料，草酸及其衍生物是許多藥品生產(chǎn)那的中間體，如用于生產(chǎn)色甘酸鈉、異唑肼。草酸可用于稀土元素的提取、分離和精制。此外，草酸可用于紡織品的清洗，纖維染色，永久定型及其阻燃。在聚合物合成中，草酸是制取許多有機(jī)物的原料或其它反應(yīng)的催化劑等。 主要原輔材料的物理化學(xué)性質(zhì)、技術(shù)指標(biāo)及供應(yīng)： 設(shè)計進(jìn)度： 1.1.6生產(chǎn)方法的比較級確定 生產(chǎn)方法的論證：隨著我國環(huán)保意識的不斷增強及環(huán)境保護(hù)治理的力度不斷加強，過去的鉛法生產(chǎn)工藝被淘

4、汰，而鈣法工藝以其生產(chǎn)效率高，環(huán)江污染少，能源消耗少，工藝易操作，綜合效率高，等優(yōu)點逐步成為我國廣泛推廣的一種生產(chǎn)草酸的工藝。 1.1.7生產(chǎn)過程主要反應(yīng)的反應(yīng)熱： 甲酸鈉合成： 甲酸鈉脫氫： 甲酸鈉鈣化： 草酸鈣酸化： 生產(chǎn)過程的主要副反應(yīng)的反應(yīng)熱 1.2車間組成及生產(chǎn)制度 1.2.1工段組成及設(shè)計范圍的要求： （1）造氣合成車間（造氣工段、合成工段）、（2）脫氫車間（脫氫工段）、（3）鈣化、酸化車間（鈣化工段、酸化工段）、4結(jié)晶、干燥車間（結(jié)晶工段、干燥工段）本項目為年產(chǎn)（4）噸草酸產(chǎn)品的項目，本設(shè)計說明書對廠區(qū)圍墻內(nèi)的年產(chǎn)4噸的草酸產(chǎn)品裝置，輔助生產(chǎn)裝置，供排水系

5、統(tǒng)，供熱系統(tǒng)等進(jìn)行了比較詳細(xì)的說明。 1.2.2生產(chǎn)制度:年工作日（300天/年），班組制（5班3運轉(zhuǎn)）、8小時/班。 2．化工計算（物料衡算和熱量衡算） 2.1.1生產(chǎn)工藝流程工藝示意圖（物料衡算和熱量衡算的依據(jù)） 2．12工藝示意圖簡述如下： （1）鼓風(fēng)機(jī)加壓的空氣由下部鼓入煤氣發(fā)生爐，焦炭有煤氣發(fā)生爐頂部加入，空氣與燃燒狀態(tài)的焦炭相互反應(yīng)生成含有30%一氧化碳的空氣煤氣，煤氣由頂出口排出，經(jīng)洗氣后進(jìn)入第一水洗塔，水洗后的煤氣進(jìn)入真空泵加壓，加壓后的煤氣進(jìn)入第二水洗塔進(jìn)一步除去細(xì)小微量灰塵，通過企業(yè)分離器進(jìn)入壓縮機(jī)煤氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到1.8-2.0兆帕經(jīng)油分離器分去掉其中油

6、污，進(jìn)入高壓水洗塔出去二氧化碳和微量的硫化氫，然后在預(yù)熱器中和稀堿液混合升溫到150-170攝氏度再進(jìn)入合成管合成甲酸鈉混合氣，經(jīng)減壓的甲酸鈉混合氣在尾氣分離器中分離掉未反應(yīng)的氣體和水蒸氣同時把合成的稀甲酸鈉液體送到甲酸鈉儲罐，待用。 （2）由甲酸鈉儲罐打入蒸發(fā)室經(jīng)管間水蒸氣加熱，在真空蒸發(fā)濃縮到1000Be后放入濃甲酸儲罐，再由泵打入離心機(jī)，分離的到固體甲酸鈉，母液返回蒸發(fā)室，將固體甲酸鈉投入脫氫反應(yīng)器有過熱蒸汽升溫到410-430攝氏度脫氫生成草酸鈉，迅速加入新鮮冷卻溶解，通過真空吸料罐放入草酸鈉槽，然后經(jīng)過濾機(jī)得到的濾餅放入懸浮液配料槽中加水配成草酸鈉含量160-180g/L的懸浮液，

7、待用。 （3）由脫氫來的草酸鈉懸浮液由離心泵打入鈣化灌，，與氫氧化鈉在攪拌下反應(yīng)，反應(yīng)后用帶式過濾機(jī)過濾，濾液打到稀堿液槽，一部分送到御配堿池與外購的濃堿液加入新鮮水配制成185g/L的溶液送達(dá)合成車間，另一部分送三效蒸發(fā)器濃縮后送合成車間，草酸鈣懸浮液送入酸化罐，然后將配酸罐中濃度為35%的硫酸用泵打入酸化罐與草酸鈣懸濁液混合反應(yīng)，然后將反應(yīng)后的液體送去帶式過濾機(jī)過濾，濾液進(jìn)入吸收罐，用蒸汽加熱至85攝氏度送入帶有攪拌的結(jié)晶罐晶體。濾液經(jīng)5次洗滌，前兩次結(jié)晶后的母液、洗水送到石墨蒸發(fā)器濃縮，其余三次用新鮮水洗滌，洗水和濃縮后的母液一起送去配酸罐稀釋92.2%的濃硫酸使其達(dá)到反應(yīng)所需濃度。待

8、用。 （4）吸附罐出來的草酸溶液結(jié)晶濃縮后進(jìn)入離心機(jī)，離心后的固體草酸加入新鮮水溶解，經(jīng)過過濾除雜后重新結(jié)晶，離心分離后的草酸固體用真空吸入滾筒干燥器與經(jīng)過加熱的熱空氣逆流干燥，在滾筒的尾部計量包裝即成成品草酸。 2.1.3原材料、動力消耗定額（以每噸草酸計算） 序號 名稱 規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn) 單位 消耗定額 一 原材料 1 焦炭 80% t 2 燒堿 42.0% t 3 硫酸 92.5% t 二 輔助材料 1 氧化鈣 含量90% t 三 燃料動力 1 電 380V kWh 2

9、 新鮮水 18 t 3 蒸汽 1.3MPa t 生產(chǎn)能力的計算 （1） 草酸每小時生產(chǎn)能力：5555.56kg/h 相對分子量126.06kg/h 則摩爾流量為5555.56/126.06=44.07kmol/h 2.2各物料的物料衡算 2．2.1計算依據(jù) 各步反應(yīng)的收率 物質(zhì) 甲酸鈉 草酸鈉 草酸鈣 草酸 收率 0.95 0.83 0.95 0.90 各部分反應(yīng)所需的物料流量 (1)CaC2O4+H2SO4→CaSO4+H2C2O4 44.07/0.92=47.90kmol/h 每小時消耗的H2SO4 4

10、7.90*98=4694.2kg/h 原料中H2SO4的含量為92.5% 每小時消耗的硫酸原料量為4694.2/0.925=5074.8kg/h (2)NaC2O4+Ca(OH)2→CaC2O4+2NaOH 每小時消耗的Ca(OH)2的量為47.90/0.98=48.88 每小時消耗的NaC2O4的量為47.90/0.98=48.88 (3)2HCOONa=NaC2O4+H2 每小時消耗HCOONa 的量為2*48.88/0.83=117.8kmol/h (4)CO+Na=HCOONa 每小時消耗CO的量和NaOH得量都是117.8/0.95=123.98kmol/h (

11、5)2C+O2=2CO 每小時消耗C的量為123.98kmol/h 每小時消耗O2的量為61.99kmol/h (6)副反應(yīng)的C的消耗 從汽化爐出來的各種氣體的含量如下表 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 含量 0.30 0.025 0.142 0.533 煤氣中CO2的含量為123.98*0.025/0.3=10.33kmol/h 因為C+O2=CO2，所以生成需要消耗C的量和O2的量都是10.33kmol/h （7）綜合（5）（6） C的消耗量123.98+10.33=134.31kmol/h*12=1611.72kg/h 因為焦炭中含碳85%，所以實際

12、消耗C的量為1611.72/0.85=1896.14kg/h （8）綜合（5）（6） O2的消耗量為61.99+10.33=72.32kmol/h 此外為其中含O2的量為123.98*0.142/0.3=58.68kmol/h 入爐空氣中O2的含量為72.32+58.68=131.00kmol/h 131.00*1000*22.4/1000=2934.4Nm3/h 空氣O2：N2=0.21:0.79 空氣中N2的含量為123.98*0.79/0.21=466.37kmol/h 466.37kmol/h*22.4*1000/1000=10446.69Nm3/h 空氣總量為12

13、3.98+466.37=590.35kmol/h 590.35*22.4*1000/1000=13223.84Nm3/h (9) CaO+H2O=Ca(OH)2 有（2）中的投料比NaC2O4:Ca(OH)2=1:1.15 故Ca(OH)2的量為48.88*1.15=56.212kmol/h 因為生石灰中CaO的含量為90%，所以消耗石灰的量為 56.212*56/0.9=3497.64kg （10） NaOH消耗量為123.98*40=4959.2 因為采購的NaOH為42%，所以NaOH的消耗量為 4959.2/0.42=11807.62kg

14、/h 又因為副產(chǎn)物消耗 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O 消耗NaOH 10.33*2=20.66kmol/h 所以消耗總量為 123.98+20.66=144.64kmol/h*40=5785.6kg/h 表1-4物料消耗統(tǒng)計匯總表（每小時） 序號 名稱 規(guī)格 單位 消耗 1 焦炭 含碳85% t 1．612 2 硫酸 92.5% t 5.07 3 生石灰 90% t 3．498 4 空氣 Nm3 13.224 5 燒堿 42% t 5.786 2.3副產(chǎn)物生產(chǎn)量的計算 （1）2HCOO

15、Na=NaC2O4+H2 每小時H2生產(chǎn)量為48.88*1000/1000*22.4=1094.91Nm3/h (2) NaC2O4+Ca(OH)2= CaC2O4+2NaOH 每小時NaOH的生成量為47.91*2=95.81kmol/h 95.81*40=3832.5kg/h (3) CaC2O4+H2SO4=CaSO4+ H2C2O4 每小時CaSO4的生成量44.08*136=5996.0kg/h 2.4物料與熱量和能算 （1）煤氣發(fā)生爐物料與熱量和能算 2.4.1物料衡算 計算依據(jù) 【A】H2C2O4.H2O產(chǎn)量為4958.1kg/h即55.09kmol/h

16、 【B】進(jìn)煤氣發(fā)生爐物質(zhì)為煤氣和空氣 其中空氣組成問為O2:N2=0.21:0.79 【C】產(chǎn)物空氣組成如下表 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 含量 0.30 0.025 0.142 0.533 物料衡算 a 爐出口氣組分流量 CO 123.98kmol/h O2 58.68kmol/h CO2 10.33kmol/h N2 466.37kmol/h b 進(jìn)口的分流量 焦炭1611.72kg/h O2 10446.69Nm3/h N2 10446.69Nm3/h 表2-2物料衡算表 物質(zhì) 反應(yīng)器入口 反應(yīng)器出口

17、 CO ------- 123.98kmol/h O2 10446.69Nm3/h 58.68kmol/h CO2 ------- 10.33kmol/h N2 10446.69Nm3/h 466.37kmol/h 焦炭 1611.72 kg/h ------- 2.4.2 能量衡算 （1）計算依據(jù) a 進(jìn)爐空氣焦炭均為25℃ b 出口混合氣溫度為800℃ c 出口氣體組成如下表 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 含量 123.98kmol/h 10.33kmol/h 58.68kmol/h 466.37kmol/h

18、 d 平均熱熔（1073K，KJ/Kmolk） 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 含量 31.36 48.25 32.16 30.85 （2） 熱量衡算 C+O2=CO 查表得△fHm(CO)=110.525KJ/mol △ H1=123.98*(-110.525)=-1.37*105KJ/h C+O2=CO2 查表得△fHm(CO2)=-393.509kJ/mol △ H2=10.33*(-393.509)=-4.06*103KJ/h 以下為個氣體從25℃-800℃是的焓變 CO △H3=123.98*31.16*7

19、75=2.99*106 KJ/h CO2 △H4=10.33*48.25*775=3.86*105 KJ/h O2 △H5=58.68*32.16*775=1.46*106 KJ/h N2 △H6=466.37*30.85*775=1.12*107 KJ/h 總焓變△H=-1.61*107 KJ/h 冷卻介質(zhì)用100℃鍋爐給水 出口為190℃的飽和蒸汽，100℃水的焓值為419.04KJ/kg 需水產(chǎn)氣量為1.61*107/（2786.4-419.04）=6803.69kg/h 2.4.3廢熱鍋爐的能量衡算 （1）計算依據(jù)

20、 a 入口氣與出口氣組成相同，結(jié)尾煤氣發(fā)生爐的出口氣組成 b 入口氣溫度為800℃ c 出口氣溫度為300℃ d 鍋爐側(cè)產(chǎn)生200℃的飽和蒸汽，進(jìn)水100℃ （2）熱量衡算 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 含量 123.98kmol/h 10.33kmol/h 58.68kmol/h 466.37kmol/h 查表得各組分平均熱熔Cp(KJ/mol) T CO CO2 O2 N2 298K 29.18 37.1

21、7 29.39 29.13 400K 29.32 39.23 29.75 29.23 500K 29.45 40.07 30.18 29.35 600K 29.67 42.72 30.65 29.53 1000K 30.93 47.56 32.37 30.64 1100K 31.24 48.50 32.70 30.93 現(xiàn)行內(nèi)插舉例： 298K-1073K間CO平均熱熔 Cp=30.93+(31.24-30.93)/(1100-1000)*(1073-1000)=31.16KJ/k 內(nèi)插法結(jié)果如下表所示 T CO C

22、O2 O2 N2 323K 29.21 37.67 29.48 29.18 573K 29.61 42.00 30.52 29.48 1073K 31.16 48.25 32.61 30.85 O2 800℃-300℃ △H1=Q1=58.68*32.16*(1073-298)- 58.68*30.52*(573-298)=9.7*105KJ/h N2 800℃-300℃ △H2=Q2=466.37*30.85*(1073-298)-466.37*29.48*(573-298)=7.37*106 KJ/h CO 800℃-300℃ △H

23、3=Q3=123.98*31.16*(1073-298)-123.98*29.61*(573-298)=1.98*106 KJ/h CO2 800℃-300℃ △H4=Q4=10.33*48.25*(1073-298)-10.33*42.00*（573-298）=2.67*105KJ/h 所以煤氣總焓變△H=1.059*107KJ/h 蓄水量為1.059*107/（2786.4-419.04）=4470kg 2.4.4水洗塔進(jìn)一步冷卻除塵的衡算 氣體50℃-25℃ 新鮮水18℃-25℃ T CO CO2 O2 N2 298K 29.18 37.17 23.

24、39 29.13 323K 29.21 37.67 29.48 29.18 CO △H1123.98*29.21*(323-298)=9.05*104KJ/h CO2 △H2=10.33*37.67*(323-298)=9.7*103 KJ/h O2 △H3=58.68*29.48*(323-298)=4.3*104KJ/h N2 △H4=466.37*29.18*(323-298)=3.4*105 KJ/h 總焓值△H=4.87*105 KJ/h 18℃水的焓值為75.57KJ/kg 25℃水的焓值為104.89KJ/kg 需水量為4.87*

25、105/（104.89-75.57）=16633.7 kg/h 2.4.5原料氣體預(yù)熱器的衡算 由高壓水洗塔出來的氣體溫度為25℃，經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱至160℃，高壓水洗塔出去CO2 物質(zhì) CO CO2 N2 含量 123.98kmol/h 10.33kmol/h 466.37kmol/h 物質(zhì) CO CO2 N2 平均熱容Cp 29.36KJ/kmolk 29.89 KJ/kmolk 29.27 KJ/kmolk CO △H1=123.98*29.36*(433-298)=4.9*105 KJ/h O2 △H2=58.68*29.8

26、9*(433-298)=2.4*105 KJ/h N2 △H3=466.37*29.27*(433-298)=1.8*106KJ/h 總焓值△H=2.57*106KJ/h 需190℃的蒸汽量為2.57*106/1978.3=1299kg/h 2.4.6堿液預(yù)熱器的衡算 有物料衡算得 堿液4339.8kg/h Cp近似取值為4.2 KJ/kgk 用190℃的蒸汽預(yù)熱 需蒸汽量為4339.8*4.2*（160-25）/1978.8=1243.5kg/h 2.4.7HCOONa合成器物料衡算與熱量衡算 A 物料衡算 （1）計算依據(jù) a HC

27、OONa的產(chǎn)量為117.8kmol/h b CO+NaOH=HCOONa 收率為95% c 原料氣組成CO:O2:CO2:N2=300:142:25:533 d 堿液中含NaOH為42%（質(zhì)量），即0.246（摩爾） （2）物料衡算 a 合成反應(yīng)器進(jìn)口原料氣給組成流量 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 NaOH 含量 123.98kmol/h 10.33kmol/h 58.68kmol/h 466.37kmol/h 144.64 kmol/h b 合成反應(yīng)出口物料 物質(zhì) HCOONa Na2CO3 O2 N2

28、 H2O 含量 117.8kmol/h 10.33kmol/h 58.68kmol/h 466.37kmol/h 378.28kmol/h B 熱量衡算 各物質(zhì)熱容如下表： 物質(zhì) CO CO2 O2 NaOH N2 H2O Cp 29.142 KJ/kmolk 37.11 KJ/kmolk 29.355 KJ/kmolk 59.54 KJ/kmolk 29.125 KJ/kmolk 75.29 KJ/kmolk CO+NaOH=HCOONa △fHm(CO)=-110.525KJ/mol △fHm(NaOH)=-525

29、.60KJ/mol △fHm(HCOONa)=-665.57KJ/mol △fHm=△fHm(HCOONa)- △fHm(NaOH)=-129.536 KJ/mol 故反應(yīng)熱為117.8*103*（-129.536）=-15.7*106KJ 用100℃循環(huán)水升溫到汽化熱為2257KJ/kg 需水量為15.7*106/2257=6956kg 2.4.8洗氣箱的熱量衡算 （1）計算依據(jù) a入口氣組成與出口氣組成基本相同 b 入口氣溫度為300℃出口氣溫度為50℃ c 進(jìn)洗氣箱循環(huán)溫度為25℃ d 出氣箱循環(huán)水溫度是40℃ （2）熱力學(xué)

30、參數(shù) 物質(zhì) CO CO2 O2 N2 Cp 29.18KJ/kmolk 37.17KJ/kmolk 29.39 KJ/kmolk 29.13KJ/kmolk 取基準(zhǔn)溫度為298K 查表298K-400K間各組分平均熱容如下表 物質(zhì) CO O2 CO2 N2 平均熱容Cp 29.32 KJ/kmolk 29.75 KJ/kmolk 39.23 KJ/kmolk 29.23 KJ/kmolk 查表298K-600K間各組分平均熱容如下表 物質(zhì) CO O2 CO2 N2 平均熱容Cp 29.67 KJ/k

31、molk 30.65 KJ/kmolk 42.72 KJ/kmolk 29.53 KJ/kmolk 利用線性內(nèi)插法求得298K-323K間各組分平均熱容如下表 物質(zhì) CO O2 CO2 N2 平均熱容Cp 36.67 KJ/kmolk 29.21 KJ/kmolk 29.48 KJ/kmolk 29.18 KJ/kmolk 298K-573K間各組分平均熱容如下表 物質(zhì) CO O2 CO2 N2 平均熱容Cp 42.25 KJ/kmolk 29.62 KJ/kmolk 30.53 KJ/kmolk 29.49KJ/kmolk 故得

32、 CO △H1=123.98*29.62*（573-298）-123.98*29.21*（323-298）=9.19*105KJ/mol O2 △H2=58.68*30.53*(573-298)- 58.68*29.48*(323-298)=4.5*105KJ/mol N2 △H3=466.37*29.49*(573-298)- 466.37*29.18*(323-298)=3.44*106KJ/mol CO2 △H4=10.33*42.25*(573-298)- 10.33*37.67*(323-298)=1.1*105KJ/mol 總焓 △H=4.92*10

33、6KJ/mol 40℃水的焓值為167.57KJ/kg 25℃水的焓值為104.89 KJ/kg 故需水量為4.92*106/（167.57-104.89）=7.84*104KJ/mol 2.4.9HCOONa蒸發(fā)器的物料衡算與熱量衡算 A 物料衡算 （1）計算依據(jù) a 每小時需濃縮出117.8kmol/hHCOONa即8010kg/h b 進(jìn)料濃度為400g/l 出料濃度為900g/l c 加熱蒸汽溫度為200℃ d 進(jìn)料液溫度為100℃ （2）熱參數(shù) 100℃水的汽化潛熱為2257KJ/kg 200℃水的汽化潛熱為194

34、0.7 KJ/kg （3）物料衡算 a 入口物流 稀HCOONa溶液為117.8*68/400=20.03m3/h b 出口物流 濃HCOONa溶液為117.8*68/900=8.90m3/h H2O為（20.03-8.90）*1000=11130kg/h B 熱量衡算 a 稀HCOONa溶液蒸發(fā)水吸熱 Q=11130*2257=2.51*107 KJ/h b 需加蒸汽量為2.51*107/1940.7=12900 kg/h 2.4.10脫氫反應(yīng)器物料衡算如熱量衡算 A 物料計算 （1）計算依據(jù) 2HCOONa=Na2C2

35、O4+H2 a 每小時脫氫生成48.88molNa2C2O4 b 脫氫反應(yīng)收率83% c 進(jìn)料為HCOONa固體 d 副產(chǎn)物為2HCOONa=Na2CO3+CO+H2 (2) 物料衡算 a 出口物料組成流量 草酸鈉 假設(shè)碳酸鈉的轉(zhuǎn)化率為90%，已知收率為83% 生成碳酸鈉的量（117.8*0.9-48.88*2）/2=4.17kmol/h 甲酸鈉117.8*0.1=11.7kmol/h CO 4.17kmol/h H2 4.17+48.88=53.05kmol/h b

36、進(jìn)口物料組分流量 HCOONa 38.88*2/0.83=93.69 c 物料衡算表 物質(zhì) 進(jìn)口物料（kmol/h） 出口物料（kmol/h） Na2C2O4 ---- 48.88 H2 ---- 53.05 Na2CO3 ---- 4.17 HCOONa 93.69 ---- CO ---- 4.17 B 熱量衡算 計算依據(jù) 脫氫反應(yīng)在380℃-420℃發(fā)生，在280℃-300℃有副反應(yīng) 2HCOONa=Na2CO3+CO+H2發(fā)生 物質(zhì) HCOONa (COONa)2 H2 Na2CO3 CO 平均Cp（

37、KJ/kmolk） 76.53 133.9 29.126 125.015 29.342 平均△Hf(KJ.mol) -664.67 -1305.34 0 -1135.717 -110.129 2HCOONa=(COONa)2+ H2 △Hf=-1305.34+2*664.67=24KJ/mol △Hof=-1135.717-110.129+2*664.67=83.494 KJ/mol a 未反應(yīng)的甲酸鈉所吸收的熱量G1 G1=11.78*76.53*(420-25)=356101.7KJ/h b 發(fā)生副反應(yīng)的甲酸鈉吸收的熱量G2 甲酸鈉的反應(yīng)熱Q

38、2=4.17*83.494*103=3.48*105 KJ/h 甲酸鈉升溫?zé)酫1=4.17*2*（300-25）*76.53=1.76*105 KJ/h G2= Q2 +Q1=5.24*105 KJ/h c 甲酸鈉生成草酸所需的熱量G3 甲酸鈉升溫?zé)酫1=38.88*2*76.53*（400-25）=2.23*106 KJ/h 甲酸鈉的反應(yīng)熱Q2=38.88*6*103=2.33*105 KJ/h G3=Q1+Q2=2.46*106 KJ/h d 總熱量 G= G1+G2+G3=3.34*106 KJ/h 2.4.11鈣化反應(yīng)器物料衡算 (1)

39、計算依據(jù) a 每小時生成CaC2O437.91kmol b 鈣化反應(yīng)收率 0.98 c 進(jìn)口草酸鈉（懸浮液）濃度為400g/l,Ca(OH)2濃度為900g/l d 投料比 NaC2O4：Ca(OH)2=1：1.15 e 產(chǎn)物堿液濃度為80g/l (2) 物料衡算 a 出口物料 CaC2O4 37.91kmol/h 堿液 37.91kmol/h Ca(OH)2 37.91*1.15*0.02/0.98=0.89kmol/h b 進(jìn)口物料

40、 Ca(OH)2液 37.91*1.15/0.98=44.49kmol/h 44.49*74/900=3.66m3/h 2.4.12酸化反應(yīng)器物料衡算與熱量衡算 （1）計算依據(jù) a 出口H2C2O4密度為320g/l b 每小時需處理CaSO4濃度為37.91kmol c H2SO4進(jìn)口濃度為92.5% 出口為400g/l d 進(jìn)料CaSO4濃度為400g/l e 物料比H2SO4：CaSO4=1：1.1 f CaC2O4+H2SO4=Ca+ H2C2O4 g 反應(yīng)

41、溫度 85℃ h 操作壓力 0.1Mpa 進(jìn)料 CaSO4 37.91kmol/h H2SO4 37.91*1.1*98/0.925=4418.0kg/h 出料 H2SO4溶液 37.91*1.1*98/0.4=10216.7kg/h H2C2O4溶液 35.06*90/320=9.86m3/h CaSO4 35.06kmol/h=4769.1kg/h 2.4.13結(jié)晶過程計算 草酸溶解度 溫度 0 10 20

42、 30 40 60 80 90 溶解度 3.54 6.08 9.52 14.23 21.52 44.32 84.5 120 草酸的溶解度隨溫度變化很大適用于冷卻結(jié)晶，將此溶液冷卻到20℃，草酸濃度350kg/m3,c產(chǎn)量5555.56kg/h，結(jié)晶罐夾套水溫為20℃，結(jié)晶出的鹽為H2C2O42H2O，近似認(rèn)為10000Kg水中有350kg H2C2O4,假設(shè)有2%的水蒸發(fā) R=126/90=1.4 C1=350/1000=0.35kg C2=9.52/100=0.0952kg C3=2/106=0.02kg

43、 2.4.14 吸附罐的熱量衡算 （1）計算依據(jù) a 吸附罐內(nèi)草酸溶液入口溫度25℃，出口溫度85℃ b 用1.3MPa蒸汽加熱 c 草酸鈉溶液濃度350 kg/m3,產(chǎn)量5555,56kg/h (2)熱量衡算 草酸的平均熱容Cp=101.156KJ/molk 水平均熱熔Cp=75.28 KJ/molk 草酸升溫所需要的熱量 Q1=44.09*101.156*（85-25）=2.68*105 KJ/h 水吸收的熱量 Q2=5555.56/350*1000*75.28/18*（85-25）=4.0*106 KJ/h 總熱量Q= Q1+Q2=4.268*106 KJ/h

44、 則所需1.3MPa蒸汽為G=Q/Hf=165961.3kg/h 2.4.15回轉(zhuǎn)干燥器的物料衡算 （1）計算依據(jù) a 干燥水分為30%，H2C2O42H2O的量5555.56kg/h b 物料入口溫度20℃，出口溫度45℃，含水5% c 氣體入口溫度165℃，出口溫度80℃ d 桶內(nèi)物料存留率5% （2）熱量衡算 干物料的平均熱容Cp=1.124KJ/kg 入口熱風(fēng) H1=0.03 KJ/kg 干空氣 a 所需風(fēng)量，入口處熱焓 H1=1.036*165*(2500+1

45、.98*165)*0.03=256.1 KJ/kg 物料帶入熱量為 Q1=（5555.56*1.124+0.3*6028.9*4.168）*10=1.3*105 KJ/h b 設(shè)排風(fēng)濕度為H2 出口處熱風(fēng)焓為 1.005*80+（2500+1.956*80）=2736.88 KJ/kg c 產(chǎn)品帶出熱量5555.56*（1.124+4.18*0.05）*45=3.33*10 KJ/h根據(jù)熱量衡算，G0為必須的干空氣量G0=53564kg/h 3主要設(shè)備的選擇及計算 3.1甲酸鈉蒸發(fā)器（采用單效蒸發(fā)器） 3.1.1設(shè)計依據(jù) a 進(jìn)口甲酸

46、鈉溶液的濃度為400 kg/m3,出口濃度為900 kg/m3 b 用1.3Mpa，190℃ 飽和蒸汽加熱 c 操作壓力P=-450mmHg d 甲酸鈉溶液進(jìn)口溫度250℃，出口溫度75.2℃ e 甲酸鈉的量 177.8kmol/h 即12090.4kg/h 3.1.2熱量衡算求蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 蒸發(fā)器內(nèi)操作壓力為P=（760-450）/760*105=4.1*104Pa 在此操作壓力下水沸點T=75.2℃ 甲酸鈉熱容：平均Cp=76.53KJ/kmolk 水的平均熱容 Cp=75.78KJ/kmolk P=0.04 MPa時，水蒸發(fā)潛熱為

47、2321.4KJ/kg P=1.3 MPa時，水的蒸發(fā)潛熱1978.8 KJ/kg 蒸發(fā)器中蒸發(fā)掉的質(zhì)量為M1, M1=(1-400/900)*3946.3/400*1000=5480.97kg/h 蒸發(fā)需要的熱負(fù)荷Q 溶液升溫所需的熱為 Q1=（117.8*76.53+5480.97/78*75.78）*（75.2-25）=7.12*105 KJ/h 蒸發(fā)水分所需的熱 Q2=5480.97*2321.4=12723524KJ/h Q=Q1+Q2=1.34*107 KJ/h 則需水量G=7250kg/h 3.1.3 蒸發(fā)器傳熱面積

48、 有效溫差為114.8℃，總傳熱系數(shù)W=1200w/m2℃ 忽略熱損失S=Q/K△t=14419327.31/(1200*114.8)=104.67 m2 為了安全取S=1.2*104.67=125.61 m2 3.1.4 蒸發(fā)器的主要工藝尺寸 a 加熱室 選用Φ38mm3mm,長為3mm的無縫管為加熱管 管數(shù)n=S/πd=282 管子采用正三角形排列 正三角形排列的管束中心線上的管數(shù)為Nc=1.1*2820.5=19 加熱室內(nèi)徑D=t(Nc-1)+2b 采用膨脹管取t=1.5d 故t=1.5d=57mm 取b=1.5d=57mm

49、 加熱室直徑D=57*18+2*57=1140mm b循環(huán)管 根據(jù)經(jīng)驗值取循環(huán)管額截面積為加熱管總截面的75%，故循環(huán)管的截面積為0.75*π/4*0.0322*210=0.1676m2 故循環(huán)管的內(nèi)徑為d1=0.16760.5/0.25=0.8187 故選用Φ426mm9mm的無縫鋼管為循環(huán)管 c 分離室 取分離室的高度為3.5m 41Kpa 蒸汽密度為0.2146 kg/m3,則二次蒸汽的體積流量為Vs=5524.86/(0.2416*36000)=0.64 kg/m3 取允許分離蒸發(fā)體積強度Vs為1.5kg/m3 分離室直徑D1=（4Vs）0.5/πH

50、Vs=6.02 H/D=1.46 高徑比在1-2之間 3.2 氫氧化鈉溶液蒸發(fā)器（采用單效蒸發(fā)器） 3.2.1 計算依據(jù) a NaOH溶液入口濃度80kg/m3，出口濃度185kg/m3 b 操作壓力P=0.08169*105Pa c 溶液入口溫度25℃，出口溫度25℃ d用1.3Mpa的蒸汽加熱。P=0.8169*105Pa時，水的汽化潛熱為2442.3 KJ/kg 3.2.2 熱量衡算求蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 蒸發(fā)水所需的熱量Q=(4340/80-4340/185)*1000*2442.3=7.5*107 KJ/h 所需

51、飽和蒸汽的熱量G=Q/Hf=3624 KJ/h 3.2.3 蒸發(fā)器的傳熱面積 有效溫差△t=190-25=165℃，蒸發(fā)器中溶液的沸點為25℃ S=Q/K=7.5*107/（1200*165）=378.8m2 a 加熱室采用正三角形排列，長為3m的無縫鋼管為加熱管 管數(shù)n=S/πd=356 管子的采用正三角形排列的管數(shù)中心的管數(shù)Nc Nc=1.1*n0.5=21 D=t（Nc-1）+2b, t=1.5d=57mm b 循環(huán)管 根據(jù)經(jīng)驗值取循環(huán)管額截面積為加熱管總截面的75%，故循環(huán)管的內(nèi)徑為0.

52、130.5/0.75=0.48m 故用Φ48mm9mm的無縫鋼管為循環(huán)管 蒸發(fā)的水量G=12825410/2242.3=5719.8kg/h 25℃時3.1677Kpa,水蒸氣的密度為0.02304kg/m3 二次蒸汽Vs=5719.8/(3600*0.02304)=68.96 m3/s 取允許分離室蒸發(fā)體積Vs為5 高度為3.5m 分離室直徑D1=4*(68.96)0.5/10.5π=3.16m H/D=1.11 高徑比在1-2之間 3.3 廢熱鍋爐 3.3.1 計算依據(jù) a 管

53、內(nèi)氣體流量和組成如下 組分 CO2 CO H2 O2 H2S N2 H2O Kmol/h 6.455 77.46 10.12 36.66 0.62 291.4 6.87 b 管內(nèi)氣體進(jìn)口溫度500℃，出口溫度230℃館內(nèi)氣體進(jìn)口壓力為0.11Mpa,出口壓力為0.1 Mpa c 采用Φ42mm3.5mm無縫管管360根作為換熱器，管外熱水沸騰產(chǎn)生1.3Mpa飽和蒸汽 d 熱負(fù)荷為6.5832*103KJ/h 3.3.2 計算換熱面積，確定換熱管及管長 總傳熱系數(shù) 管內(nèi)氣體體積流量 Q=4620.04*22.4*0.1013/0.157*（27

54、3+365）/273=156049.2m3/h μ=43.55/360*0.785*0.035=125.2m/s ρ=15245.6/19560.8=0.78 其他數(shù)據(jù)誤差不計，平均溫度365℃，此時溫度下空氣的物據(jù) 傳熱系數(shù) λ=4.61*10-2w/mkμ=3.14*10-5Pas Pr=0.676 Re=duρ/μ=0.035*125.2*0.78/3.14*10-5=108825>10000 管內(nèi)氣體給熱系數(shù)為 α1=0.023λ/dRe0.8Pr0.3=54.76mk 管外熱水沸騰的給熱系數(shù)取α2=4651w/mk 總產(chǎn)熱系數(shù)K

55、 污垢熱阻取0.26*10-3 1/K=1/54.7+1/4651+0.0034/45+0.26*10-3+0.5*10-3 所以K=1.8 w/mk 對數(shù)平均傳熱溫差 △tm=131.86 換熱面積熱負(fù)荷 Q=1.8278*10610-3J/s A=Q/ktm=267073m2 取安全系數(shù)1.2 則換熱面積320m2 換熱管長L=Q/ktm=8.08 取8.5m 3.4 合成造氣工序 3.4.1 煤氣發(fā)生爐 氣量3.0萬噸/年草酸，每小時需煤氣量為4168.3Nm3 空氣煤氣的工藝參數(shù)是： 氣體成分CO<30%，O2<1.0%，CO

56、2<2.5% 壓力10-20mmHg 溫度>800℃ 氣體強度250Nm3/m2h 因此選用Φ2400mm7000mm直型煤氣發(fā)生爐 選用臺數(shù)3.1臺（備用5臺），考慮到設(shè)備運轉(zhuǎn)率，應(yīng)配備9臺煤氣發(fā)生爐。 3.4.2 煤氣壓縮機(jī) 為滿足3.0萬噸/年草酸，每小時需煤氣量為4168.3Nm3，考慮選用國內(nèi)廣泛使用的5.5L-20/25-1煤氣壓縮機(jī) 其性能參數(shù)如下： 打氣量： 20m3/min 1200m3/h 出口壓力：2.5Mpa 功率： 250KW

57、 計算臺數(shù)：4168.3/1200=3.5臺（備用2臺）共6臺 3.5 脫氫工序 3.5.1 脫氫鍋 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，由物料衡算得每小時需處理草酸鈉固體9801.3kg,每臺脫氫鍋可加草酸鈉固體350kg,需脫氫鍋臺數(shù)為 28臺（備用4臺）共32臺 3.5.2 離心機(jī) 根據(jù)物料衡算，每小時生產(chǎn)草酸鈉的量為88.3kmol 濃甲酸鈉溶液濃度為900g/l,密度為2055g/l 每小時需處理濃甲酸鈉溶液為88.3*68*2500/900=16.7t】 10H-800型臥式活塞推料離心機(jī)最大處理能力為5T/h,實際處理能力為4T/h,需離心機(jī)5臺，選8臺。 3

58、.5.3 轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī) 選G-5-1.75型轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī) 過濾面積為5m2,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速0.13-0.26r/min 過濾量為3t/h 每小時可處理草酸鈉固體30.54kmol 配成水溶液濃度400g/l,溶液密度為1400g/l 溶液質(zhì)量30.54*134*1400/400=14.32t/h 需5臺 考慮備選共選7臺 3.6 雙化及成品工序 3.6.1 雙化反應(yīng)器 每臺反應(yīng)器操作時間1.5h，投草酸鈉1.5t,投氫氧化鈉1.4t 單日處理NaC2O4的量：1.5t 則單罐日產(chǎn)出草酸量為1.52t 30000/300/1.52=66臺考慮備選共選77臺 3.6

59、.2 吸附罐 酸化液中含草酸量為300-400kg/m3,每罐按6-8h計，單罐日出3-4次料，每罐每次8.5m3，單罐處理量為：8.5*325.5=2766.75m3/日罐 （30000*1000）/（300*300）=20臺，考慮備選共選25臺 3.6.3 結(jié)晶罐 V=5000L結(jié)晶罐，日產(chǎn)能力為3.85t/日 30000/300/3085=26臺，考慮備選共選32臺 3.6.4 滾筒干燥器 Φ=1000900滾筒干燥器，每臺日產(chǎn)能力20t 30000/300/20=5臺，考慮備選共選8臺 4 工藝設(shè)備一覽表 序號 設(shè)備名稱

60、規(guī)格型號 單位 數(shù)量 配套功率 1 煤氣發(fā)生爐 24007000 臺 9 2 煤氣壓縮機(jī) Q=20m3/H 臺 6 3 合成反應(yīng)器 臺 1 4 甲酸鈉蒸發(fā)器 臺 1 5 甲酸鈉過濾機(jī) 臺 1 6 甲酸鈉干慮機(jī) 臺 1 7 脫氫反應(yīng)器 臺 1 8 氫氣分離器 臺 1 9 草酸鈉儲罐 臺 1 10 甲酸鈉泵 臺 40 11 鈣化泵 30002700 臺 20 9kw 12 升降減速機(jī) Swj 臺 1 13 吸

61、附罐 V=20m3 臺 25 14 減速機(jī) A150-280 臺 6 5.5kw 15 結(jié)晶罐 5000L 臺 32 16 減速機(jī) A150-280 臺 15 4kw 17 硫酸鈣儲罐 V=20m3 臺 1 18 粗溶液槽 V=40m3 臺 1 19 小溶液槽 V=40m3 臺 1 20 消毒液 V=40m3 臺 1 21 熱母液槽 V=40m3 臺 1 22 冷母液槽 V=40m3 臺 1 23 石墨加熱器 F=40m3 臺 1 24 沸騰器

62、 V=40m3 臺 1 25 大氣冷凝器 臺 1 26 循環(huán)水泵 臺 1 27 冷母液槽 臺 1 28 熱母液槽 FS80 65-30 臺 5 29 酸化料泵 80FSZ-K-50-15 臺 18 30 消毒泵 臺 6 31 結(jié)晶泵 650HB-ZK-A-40-20 臺 55 7.5 32 離心甩干泵 650HB-ZK-A-40-20 臺 16 33 離心機(jī) HR-500N 臺 8 63kw 34 滾筒干燥機(jī) 2LGO.99 臺 8 6kw,7.

63、5kw 35 壓縮機(jī) 80m2 臺 7 5工藝流程敘述 5.1造氣工藝流程敘述 由羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓的空氣由煤氣發(fā)生爐下部鼓入，焦炭有頂部加入，氣化爐帶有夾套鍋爐，可回收一部分燃燒釋放的熱量，空氣與 燃燒狀態(tài)的焦炭反應(yīng)生產(chǎn)含CO約30%的空氣煤氣，煤氣由上部出口連續(xù)排出，經(jīng)除塵器出去顆粒較大的灰塵，然后一次經(jīng)過廢熱鍋爐，飽和器進(jìn)行熱量回收，飽和器出口氣體溫度約為80℃，再由羅茨鼓風(fēng)機(jī)出入水洗塔進(jìn)一步降溫，除塵，然后經(jīng)堿洗塔洗去CO2,堿洗塔中的堿液循環(huán)使用，并定期排出廢堿液，添加新鮮堿液，經(jīng)氣液分離器除去水分后送入壓縮機(jī)，將煤氣壓縮至1.8-2.0Mpa,再經(jīng)油分離器除去油污，

64、為合成工段提供合格的原料氣。 5.2合成工段的工藝流程敘述 造氣工段送來的煤氣進(jìn)入混合器與計量泵送來的1.8-2.0Mpa的185g/l的堿液混合均勻后，進(jìn)入預(yù)熱器加熱至150℃-170℃，送至合成管進(jìn)行合成反應(yīng)，生產(chǎn)甲酸鈉氣液混合物，再經(jīng)釋壓罐減壓至0.7-1.3Mpa,再經(jīng)氣液分離器分離掉為反應(yīng)的氣體和水蒸氣，同時把合成的稀甲酸鈉溶液送至稀甲酸鈉儲槽，由稀堿液泵將稀甲酸鈉溶液送至蒸發(fā)泵，減壓條件下濃縮至1000g/l后送至濃甲酸鈉儲罐，由濃堿液泵將濃甲酸鈉溶液送至離心分離器，分離得到固體甲酸鈉，母液返回蒸發(fā)器，將固體甲酸鈉投入脫氫鍋，用電加熱器迅速升溫至410℃-430℃下脫氫生產(chǎn)草酸

65、鈉。 5.3 雙化工段工藝流程敘述 熱空氣換熱干燥，草酸鈉中迅速加入新鮮水冷卻溶解，通過草酸鈉液泵送入離心分離器，分離出的碳酸鈉濾液送至碳酸鈉儲槽待用，草酸鈉慮粗出的氫氧化鈉濾液經(jīng)真空蒸發(fā)器濃縮后送至氫氧化鈉儲槽待用，草酸鈣濾液餅則配成懸浮液送至酸化器酸化，通過草酸液離心分離器，分離出的硫酸鈣濾餅經(jīng)處理后送往石膏倉庫，草酸濾液送往成品工段。 5.4 成品工段工藝流程敘述 雙化工段送來的草酸溶液經(jīng)結(jié)晶后送至離心分離器分離，分離出的濾液經(jīng)壓縮階段返回結(jié)晶罐，草酸濾餅送至粗糙算槽溶解后送入重結(jié)晶罐結(jié)晶，然后送至離心分離器分離，分離出的濾液經(jīng)濃縮后返回重結(jié)晶罐，草酸濾餅送入回轉(zhuǎn)干燥器與

66、逆流接觸的160℃-170℃熱空氣干燥，由回轉(zhuǎn)干燥器出來的草酸即可計量包裝為成品草酸送入倉庫。 5.5 原料工段工藝流程敘述 本工段由一系列倉庫和儲罐組成，負(fù)責(zé)為其他工段提供原料，主要包括焦炭，生石灰，配制堿液和配制硫酸。 5.6 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖敘述 所選的甲酸鈉蒸發(fā)器屬于單效蒸發(fā)器，液體加熱管內(nèi)被管外蒸汽加熱后，在上半部分管內(nèi)沸騰，所形成的氣液混合物比重小于循環(huán)管中受熱較小的溶液，是使循環(huán)得以進(jìn)行，屬于自然循環(huán)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器工作壓力為550-660mmHg,工作溫度120℃，選Φ38mm3mm的無縫鋼管為加熱管，蒸發(fā)器的傳熱面積為125.61m2,管子采用正三角形排列，管數(shù)282，其他參數(shù)見結(jié)構(gòu)圖。 參考文獻(xiàn) [1]. 《化工原理》，高等教育出版社，2008 [2]. 《化工設(shè)計圖集》，化學(xué)工業(yè)出版社，1976 [3]. 《化學(xué)工程手冊》，化學(xué)工業(yè)出版社，1985 [4]. 《化工設(shè)計》，化學(xué)工業(yè)出版社，2001 [5]. 《過程裝備基礎(chǔ)